Ученые из Сингапурского технологического университета Наньян (NTU Singapore) разработали технологию преобразования макулатуры из одноразовой упаковки, пакетов и картонных коробок в важнейший компонент литий-ионных аккумуляторов.

С помощью процесса, называемого карбонизацией, который превращает бумагу в чистый углерод, исследователи NTU превратили волокна бумаги в электроды, из которых можно сделать аккумуляторные батареи для питания мобильных телефонов, медицинского оборудования и электромобилей.

Чтобы обуглить бумагу, команда подвергла ее воздействию высоких температур, которые превращают ее в чистый углерод, водяной пар и масла, которые можно использовать для производства биотоплива. Поскольку карбонизация происходит в отсутствие кислорода, при этом выделяется незначительное количество углекислого газа, и этот процесс является более экологичной альтернативой утилизации крафт-бумаги путем сжигания с образованием большого количества парниковых газов.

Углеродные аноды, изготовленные исследовательской группой, также продемонстрировали превосходную прочность, гибкость и электрохимические свойства. Лабораторные испытания показали, что аноды можно заряжать и разряжать до 1200 раз, что по крайней мере в два раза долговечнее, чем аноды в современных телефонных батареях. Батареи, в которых используются аноды производства NTU, также могут выдерживать большую физическую нагрузку, чем их аналоги, поглощая энергию дробления в пять раз лучше.

Разработанный NTU метод также использует менее энергоемкие процессы и тяжелые металлы по сравнению с существующими промышленными методами изготовления анодов аккумуляторных батарей. Поскольку стоимость анода составляет от 10 до 15 процентов от общей стоимости литий-ионной батареи, ожидается, что этот новейший метод, в котором используются недорогие отходы, также снизит стоимость их изготовления.

Результаты были опубликованы в журнале Additive Manufacturing в октябре.

Использование макулатуры в качестве сырья для производства анодов аккумуляторных батарей также уменьшило бы нашу зависимость от традиционных источников углерода, таких как углеродсодержащие наполнители и углеродосодержащие связующие, которые добываются, а затем обрабатываются агрессивными химикатами и оборудованием.

Бумажные отходы, которые включают утилизированные бумажные пакеты, картон, газеты и другую бумажную упаковку, составили почти пятую часть отходов, образовавшихся в Сингапуре в 2020 году.

Было также обнаружено, что пакеты из крафт-бумаги, которые составляют основную часть бумажных отходов Сингапура, оказывают большое воздействие на окружающую среду по сравнению с их аналогами, изготовленными из хлопка и пластика, из-за их большего вклада в глобальное потепление при сжигании и потенциальной экологической токсичности при их производстве, показало отдельное исследование NTU 2020.

Нынешняя инновация, которая дает возможность перерабатывать отходы и уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива, ускоряя наш переход к экономике замкнутого цикла, экологически чистым материалам и чистой энергии, отражает приверженность NTU смягчению нашего воздействия на окружающую среду, что является одной из четырех великих задач человечества, которые университет стремится решить решать в рамках своего стратегического плана NTU 2025.

Доцент Лай Чанцюань из Школы механики и аэрокосмической инженерии NTU, который руководил проектом, сказал: "Бумага используется во многих аспектах нашей повседневной жизни, от подарочной упаковки и декоративно-прикладного искусства до множества промышленных применений, таких как сверхпрочная упаковка, защитная упаковка и заполнение пустот в строительстве. Однако мало что делается для управления ими при утилизации, помимо сжигания, которое приводит к высоким уровням выбросов углекислого газа из-за их состава.

"Наш способ продлить жизнь крафт-бумаге, направив ее на удовлетворение растущей потребности в таких устройствах, как электромобили и смартфоны, не только поможет сократить выбросы углекислого газа, но и ослабит зависимость от добычи полезных ископаемых и методов тяжелой промышленности".

Исследовательская группа подала заявку на патент в NTUitive, компанию NTU по инновациям и предпринимательству. Они также работают над коммерциализацией своего изобретения.

Рецепт более экологичных аккумуляторных деталей

Чтобы изготовить углеродные аноды, исследователи NTU объединили и вырезали лазером несколько тонких листов крафт-бумаги, чтобы сформировать различную геометрию решетки, некоторые из которых напоминают остроконечную пиньяту. Затем бумагу нагревали до 1200 °C в печи без присутствия кислорода, чтобы превратить ее в углерод, образуя аноды.

Команда NTU объясняет превосходную прочность, гибкость и электрохимические свойства анода расположением бумажных волокон. Они сказали, что сочетание прочности и механической вязкости, демонстрируемое анодами производства NTU, позволит батареям телефонов, ноутбуков и автомобилей лучше выдерживать удары при падениях и авариях.

Современная технология литиевых аккумуляторов основана на внутренних угольных электродах, которые постепенно трескаются и крошатся после физических ударов при падении, что является одной из основных причин, по которым срок службы батареи со временем сокращается.

Исследователи говорят, что их аноды, которые более прочны, чем электроды, используемые в батареях, помогут решить эту проблему и продлить срок службы батарей в широком спектре применений, от электроники до электромобилей.

Соавтор исследования г-н Лим Го Яо, инженер-исследователь из Школы механики и аэрокосмической инженерии NTU, сказал: "Наши аноды продемонстрировали сочетание сильных сторон, таких как долговечность, амортизация, электропроводность, которых нет в современных материалах. Эти структурные и функциональные свойства демонстрируют, что наши аноды на основе крафт-бумаги являются устойчивой и масштабируемой альтернативой современным углеродным материалам и найдут экономическую ценность в требовательных, высококлассных, многофункциональных приложениях, таких как зарождающаяся область конструкционных батарей ".

Профессор Лай добавил: "Наш метод превращает обычный и вездесущий материал — бумагу — в другой, чрезвычайно прочный и пользующийся большим спросом. Мы надеемся, что наши аноды удовлетворят быстро растущую потребность мира в устойчивом и экологичном материале для аккумуляторов, производство которых и неправильное обращение с отходами, как показали исследования, оказывают негативное воздействие на нашу окружающую среду".

Подчеркивая важность работы, проделанной исследовательской группой NTU, профессор Хуан Хинестроза с кафедры дизайна, ориентированного на человека, Корнельского университета, который не принимал участия в исследовании, сказал: "Поскольку крафт-бумага производится в очень больших количествах и утилизируется аналогичным образом по всему миру, я считаю, что творческий подход, впервые примененный исследователями из Сингапурского университета NTU, обладает большим потенциалом воздействия в глобальном масштабе.

"Любое открытие, которое позволит использовать отходы в качестве сырья для производства дорогостоящих продуктов, таких как электроды и пены, действительно является большим вкладом. Я думаю, что эта работа может открыть новое направление и побудить других исследователей найти пути для преобразования других субстратов на основе целлюлозы, таких как текстиль и упаковочные материалы, которые выбрасываются в больших количествах по всему миру".

Команда NTU проведет дальнейшие исследования, чтобы улучшить способность материала к накоплению энергии и свести к минимуму тепловую энергию, необходимую для преобразования бумаги в углерод.